高温合金的发展动力直接来自于燃气涡轮发动机,特别是航空领域涡轮发动机推力和效率日益增长、工作温度不断提高的需要。高温合金的发展过程大致经历了三个阶段,使得合金的承温能力每年大约提高10℃,如图1-1所示。



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 早在20世纪初期,人们就已发现向镍-铬基体中加人少量的铝或钛,能产生显著的蠕变强化效果。这一发现以及同期出现的涡轮发动机一起拉开了对高温合金研制与应用的序幕。在随后的20年里,通过成分的不断调整,高温合金中主要强化相y'相固溶温度和数量不断提高,合金强度达到了较高水平。通过权衡(铝+钛)与铬的相对含量,保证了强度与耐热腐蚀性能间的平衡。首先是钼,随后是钨、铌等难熔金属元素的加入,带来了显著的固溶强化与碳化物强化效应,再通过硼、铬、铪等微合金化改善晶界。然而,伴随着强度的提高,高温合金又面临新的严峻挑战:如低延性和有害相(如已知的σ相、μ相、Laves相等)的析出等。


 20世纪50年代出现的真空熔炼技术和精密铸造工艺使高温合金进入了第二个蓬勃发展时期。这些技术的应用进一步提高了高温合金的合金化程度,消除或降低了有害的杂质元素和气体含量,可以精确控制合金的化学成分,生产出复杂形状的铸件。因此,一大批性能更为优越、生产效率更高的铸造合金开始取代变形的锻造合金成为复杂形状热端部件的主要制造材料。随后,定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、快速凝固、陶瓷过滤、等温锻造等新技术、新工艺的发展和应用,使高温合金进入了一个工艺发展的新时代。工艺进步对材料耐温能力提高的贡献如图1-2所示,其中,定向凝固工艺所起的作用尤为重要,使用温度接近合金熔点80%~90%的第三代镍基单晶合金代表了目前铸造高温合金的高水平。



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 镍元素具有独特的原子结构和稳定的晶体结构,室温直至熔点的温度范围始终保持FCC结构不变,同时,镍对许多合金元素具有较强的固溶能力,可以进行充分的合金化,因此镍具有作为高温合金基体元素的优越内在属性。尤其是镍基高温合金中,可以析出L12结构的γ'相,这是镍基高温合金中最有效的强化方式,保证了镍基高温合金优良的综合性能。因此,镍基高温合金是在航空发动机及地面和海洋用燃气轮机中应用最为广泛的高温材料。与国外各期的同类合金相比,我国合金虽然出现较晚,但各项性能与国外合金是基本相当的(见图1-3)。


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 高温合金是非常有生命力和发展前途的未来材料,而且它正在进入“工艺时期”的第二个时代,其主要的发展趋势包括以下几个方面:


(1). 用铼作为合金化元素以最大限度地提高高温合金的高温蠕变强度。


(2). 含一定量铪、镧及钇(提高氧化抗力)的无涂层合金的开发。


(3). 更广泛地应用定向凝固和单晶涡轮叶片及导向叶片铸件。


(4). 提高涡轮盘合金洁净程度以便最大限度减少涡轮盘合金的固有内部缺陷。


(5). 更广泛地应用等温锻造以使涡轮盘中获得均匀尺寸的晶粒。


(6). 更广泛地应用预合金化粉末进行生产的涡轮盘合金。


(7). 更广泛地应用热等静压致密化的细晶铸造涡轮机叶轮。


(8). 广泛地发展和应用混合部件,这种混合部件是利用扩散联结方法,将两个或更多种零件连接在一起形成整体合金部件。


 由于陶瓷和金属间化合物首先在短寿命发动机上获得了特殊的应用,因此这些材料的竞争将变得更加激烈。尽管在一些特殊的领域不断有新材料涌现,但镍基高温合金仍将是燃气轮机行业的主要的材料。这是由于它们具有良好的适应性和可修复性,即采用铸造、锻造和粉末冶金工艺可以制造出各种尺寸的燃气轮机部件。